提到蜘蛛絲，大家很容易想到“蜘蛛俠”，僅僅利用手臂上發射出的蜘蛛絲繩索，蜘蛛俠就可以自由穿梭在高樓大廈之間，這纖細的蜘蛛絲和碩大的人體形成了鮮明的對比，想必這蜘蛛絲一定很結實！
回到現實中的自然界，大家小時候一定有蹲在花叢中觀察蜘蛛織網的經歷，似乎有源源不斷的絲線從蜘蛛腹部拉出，先固定經線，再由內向外一圈一圈紡出緯線，一張張規整、漂亮的蛛網不但是蜘蛛生活的家，還成為它捕捉獵物的有力武器。即便是飛翔的昆蟲撞了上去，蛛網也只是輕微顫抖後很快回復平靜，仍然保持結構完整無恙，想必這蜘蛛絲一定很強韌！
蜘蛛絲蛋白是蜘蛛絲的主要成分，包含甘氨酸、丙氨酸以及少量的絲氨酸，加上其它氨基酸單體蛋白質分子鏈構成。外觀上又細又柔軟的蜘蛛絲之所以具有極好的彈性和強度，一方面在於，蜘蛛絲中具有不規則的蛋白質分子鏈（非晶區），這使蜘蛛絲具有彈性；另一方面，蜘蛛絲中還具有規則的蛋白質分子鏈（結晶區），這又使蜘蛛絲具有強度。
實驗表明，一束由蜘蛛絲組成的繩子比同樣粗細的鋼絲繩還要堅強有力，它能夠承受比鋼絲繩還多5倍的重量而不會斷裂。儘管蜘蛛絲具有如此出眾的材料特性，但天然蜘蛛絲蛋白主要來源於蛛網，產量非常低，質量不均一，而且蜘蛛具有攻擊同類的天性，無法像家蠶一樣大規模養殖，所以直接從自然界獲取蜘蛛絲蛋白比較困難。
光刻膠是半導體技術中微細圖形加工的關鍵材料。利用光化學反應使光刻膠的溶解度發生變化（正性光刻膠：難溶→易溶；負性光刻膠：易溶→難溶），經曝光（透過紫外光、電子束、X射線、離子束等曝光源的照射或輻射）、顯影（用溶劑洗去正性光刻膠的曝光區域和負性光刻膠的未曝光區域）、刻蝕等工藝將所需要的微細圖形從掩模版轉移到待加工基底上的圖形轉移介質。
提升光刻膠的解析度是發展積體電路與晶片先進製造工藝的重要途徑，而光刻膠的分子組成、結構形態、機械效能與其光刻解析度密切相關。電子束光刻精度極高，由於電子束的等效波長比光的波長要小很多，其精度已突破百奈米量級可達奈米量級，是加工二維平面圖形獲得最小尺寸的標準工具。如何把電子束光刻的能力拓展到真三維微納加工是研究者長久以來努力的主要方向。
圖1. 基因重組蜘蛛絲蛋白的3D電子束光刻流程
中國科學院上海微系統與資訊科技研究所陶虎研究員團隊與上海交通大學夏小霞、錢志剛教授合作，運用生物工程技術，創新開發水系基因重組蜘蛛絲蛋白光刻膠，整個光刻過程中僅使用純水作為溶劑和顯影液，避免引入或產生有毒有害化學汙染。透過設計和最佳化重組蜘蛛絲基因片段和分子量，轉入大腸桿菌表達來實現批次生產多種規格蜘蛛絲蛋白。相對傳統電子束光刻採用高電壓（幾十kV）和薄膠（幾十奈米）以保證光刻的準直度和解析度，陶虎團隊反其道而行，從低電壓（幾kV）和厚膠（幾微米）入手，結合基於百萬級數量電子的大規模模擬模擬，實時控制加速電壓調控電子在蜘蛛絲蛋白光刻膠裡的穿透深度、停留位置和能量轉移行為，在三維空間內準確定義了電子束在蜘蛛絲蛋白光刻膠中奈米尺度的曝光區域，實現了分子級別精度的真三維奈米功能器件直寫（如圖1所示）。該技術加工精度可達14 nm，接近天然蜘蛛絲蛋白單分子尺寸（~10 nm），較之前技術提升了1個數量級（如圖2所示）。
圖2. 高精度三維奈米直寫技術與當前其他加工方法的對比
基因重組蜘蛛絲蛋白優異的機械強度為複雜三維奈米結構提供了關鍵支援，有效提升了納米尺度下結構的穩定性。良好的生物相容性允許進一步透過功能化，賦予其對光、熱、酸鹼度的敏感響應特性，實現“可載藥、可驅動、可降解”的4D奈米功能器件（時空可變形），在智慧仿生感知、藥物遞送奈米機器人、類器官晶片等研究領域具有明確的應用前景（如圖3所示）。相關研究成果以 3D electron-beam writing at sub-15 nm resolution using spider silk as a resist 為題於2021年8月26日發表在Nature Communications12, 5133 (2021)。
圖3. 系列基因重組蜘蛛絲蛋白4D奈米功能器件
該論文的第一通訊單位為中科院上海微系統所，通訊作者為上海微系統所陶虎研究員和上海交通大學夏小霞教授。該工作得到國家科技創新2030重大專案、國家重點研發計劃、國家自然科學基金優秀青年基金、中國科學院基礎前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新專案、上海市優秀學術帶頭人計劃等相關研究計劃的支援。
來源：中國科學院上海微系統與資訊科技研究所
